a7n01铝合金复合加载下疲劳裂纹扩展行为及其数值模拟

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1、国内图书分类号：TG405学校代码：10213国际图书分类号：621.791密级：公开工学硕士学位论文A7N01铝合金复合加载下疲劳裂纹扩展行为及其数值模拟硕士研究生：伍佳导师：刘雪松副教授申请学位：工学硕士学科：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2013年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG405U.D.C:621.791DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringFATIGUECRACKPROPAGATIONOF

2、A7N01ALUMINUMALLOYUNDERMIXED-MODELOADINGANDITSNUMERICALSIMULATIONCandidate：WuJiaSupervisor：Asso.Prof.LiuXuesongAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsProcessingEngineeringAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDef

3、ence：June,2013Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要疲劳断裂是大多数构件失效的主要形式，现在对疲劳裂纹的研究大多集中在纯Ⅰ型加载下。然而工程实际中构件的承载情况复杂，裂纹承受的载荷往往不是单一的Ⅰ型、Ⅱ型或者Ⅲ型载荷，而是几种载荷的复合。在复合型载荷下，裂纹的扩展更加复杂。对A7N01P-T4铝合金及其焊接接头进行Ⅰ-Ⅱ复合型加载试验，获得裂纹扩展路径和扩展速率。基于有限元数值模拟技

4、术，以及Jiang-Sehitoglu循环塑性模型和Jiang多轴疲劳损伤模型，对裂纹尖端附近进行损伤分析，成功预测Ⅰ-Ⅱ复合型加载下裂纹的扩展路径和扩展速率。主要内容及成果如下：对母材CTS试样进行Ⅰ-Ⅱ复合型加载，并计算了裂纹扩展过程中KI和KII的变化。在Ⅰ-Ⅱ复合型加载下，裂纹的开裂角基本满足最大周向应力准则，此后裂纹的扩展方向保持不变，始终处于Ⅰ-Ⅱ复合型载荷下。KI随着裂纹长度增加逐渐增大，裂纹面的偏转对KI的影响不大。K在Ⅰ-Ⅱ复合型加载初期最大，一旦裂II纹面偏转，KII迅速下降，此后一直

5、远小于KI。使用Tanaka公式将应力强度因子当量化后，裂纹扩展速率仍然可以用Paris公式描述。对焊接件CTS试样进行Ⅰ-Ⅱ复合型加载，得到裂纹扩展速率和扩展路径。焊缝与母材的界面能够显著影响裂纹的扩展路径。裂纹在Ⅰ-Ⅱ复合型加载下扩展到界面处时，当加载角度较小时，裂纹倾向于沿界面开裂，当加载角度较大时，裂纹能够穿过界面，扩展到母材上。当界面处存在严重缺陷时，界面的承载能力降低，即使在较大的加载角下裂纹也能够沿界面扩展。焊接件的裂纹扩展速率不再满足Paris公式，特别是在穿过界面前后，裂纹扩展速率曲线的

6、斜率明显不同。利用圆棒试样拉压变幅载荷测定了Jiang-Sehitoglu循环塑性模型和Jiang多轴疲劳损伤模型的材料常数。运用隐式应力积分法将Jiang-Sehitoglu循环塑性模型写成Fortran程序，通过Hypela2.f子程序接口植入到通用有限元软件MSC.MARC中，并在简单边界条件下对自编子程序进行了验证，试验结果与模拟结果基本一致。基于Jiang-Sehitoglu循环塑性模型和Jiang多轴疲劳损伤模型，通过有限元数值模拟，计算得到裂纹尖端的损伤分布。由裂纹尖端损伤在不同材料面上的分

7、布，预测了裂纹的扩展路径，比最大周向应力准则预测的更加准确。对裂纹尖端损伤在径向的分布进行积分，预测了裂纹的扩展速率，与试验结果接近。关键词：A7N01铝合金；Ⅰ-Ⅱ复合型加载；疲劳裂纹；疲劳损伤I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractFatigueisanimportantfailureformfortheload-carryingstructures.ThemajoritystudiesoffatiguecrackgrowthareusuallyperformedundermodeIloadi

8、ngcondition.However,inmanypracticalcases,cracksarenotalwaysnormaltothemaximumprincipalstress,andamixedmode(combinedmodesIandII)conditionprevailsatthetipofsuchcracks.Formixedmodeloading,crackgrowthbehaviorismorecompl